TW548863B - Method for controlling battery charge and discharge - Google Patents

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Toshifumi Ueda
Nobuyasu Morishita
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Matsushita Electric Ind Co Ltd
Toyota Motor Co Ltd
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Description

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發明背景 1.發明領域 本發明係關於一種用於控制充電及放電過程之方法，本 方法係與安裝於電動車、電動載具之屬上的電池有關。 2·相關技藝說明 無人搬運車（AGV)係一種使用一電池作為其至少一部分 電源之電動車。例如，AGVs係作為電動載具，用於在組 裝工廠自動搬運各種產品之零件。一安裝於AGV上之電池 係例如一種含有複數個串聯在一起之可充電單電池之高電 壓電池組。 一 A G V it常在一工廠内由一作為起點之貨站沿著一條預 定路徑行進並返回該貨站以便充電安裝其上之電池。此運 作係重複執行。沿著預定路徑行進所消耗的電力一般係少 到如實質電池容量之10%。為了安全等理由，不意欲將電 池完全充滿，因此電池係重複地充電及放電以使得電池之 SOC (充電狀態）係位在例如約5〇%至約6〇0/^之範圍内。 在重複充電及放電以便具有上述較窄s〇c範圍之電池 中’已知會發生充電記憶效應。充電記憶效應意指一種如 同在一淺SOC範圍内藉由使一電池重複充電及放電而於最 後一級充電過程造成電壓上升的現象。在充電記憶效應係 於一特定SOC範圍内所產生的情況下，當電池的s〇c值上 升到比該特定SOC範圍内之值還高時，電池電壓會上升， 從而例如降低充電效率。 在電池之SOC值與電池電壓之間的基本關係中，電池電 __幢4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 548863 A7 B7 五、發明説明（2 ) 壓具有隨著SOC值之上升而升高的趨向。在〇%附近之低 SOC值之範圍及100%附近之高SOC值之範圍兩者内，電池 電壓皆得以大幅提升。電池電壓在兩範圍之間具有隨著 SOC值之上升而稍微升高的趨向。 前述AGV利用到一種系統’當該系統偵測到過度之充電 電壓時’ AGV之電池係為了安全理由而強制放電以使得 SOC值下降到SOC值之範圍内的最低位準，其中充電及放 電過程係在SOC值之範圍内執行。例如，在執行充電及放 電過程之SOC值之範圍係介於約50%與約6〇〇/。之間且設定 對應於約SOC之70%之電池電壓以使其成為最高電壓用以 將電池充電的情況下，充電及放電之執行經常使得電池電 壓對應至SOC之約50%與約60%之間。當充電電壓上升至 預定之最高位準時，電池係強制放電以具有5〇%之s〇c 值，該SOC值係執行充電及放電之SOC值之範圍内的最低 位準。 然而，當電池内發生充電記憶效應且電池之s〇C值上升 到高於導致充電記憶效應發生之S0C值時，電池電壓係快 速上升，並因而失誤地偵測到電池電壓，猶如電池電壓係 處於最高位準用以將電池充電，故使得電池即使在電池電 壓之位準低於最高位準時仍強制放電。所以，S0C值係下 降至執行充電及放電過程之S0C值之範圍内之最低位準。 依此方式’電池之S〇c值係強制降低而無法使電池充分充 電’因此，重複此運作可能會使AGV之電池無法充分充 電。 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 548863 A7 ______B7_ 五、發明説明（3~~) " 例如，在相當於大約70% SOC之電池電壓係設定為用於 使電池充電之最高電壓的情況下，當充電記憶效應使得偵 測器（未示）所偵測到的電池電壓係上升至最高電壓而真實 之電池電壓卻相當於大約60% SOC時，電池係強制放電以 達到50%之SOC值。因此，充電及放電過程係在電池未充 分充電的情況下執行。在此狀態下，當充電記憶效應再次 產生時，電池係強制放電以致充電及放電過程係在電池未 充分充電的情況下執行。依此方式，當AGV之電池因充電 記憶效應而於低SOC值強制放電時，電池未得到充分充 電，這會使得AGV無法行進。 充電記憶效應可藉由執行一重新充電及放電過程予以避 免，使得電池強制放電至0%之SOC值並完全充電至100〇/〇 之SOC值。然而，此種過程通常需要重複數個週期之期 間。、 圖4係一表示重新充電及放電時之週期數與充電記憶效 應之間之關係的曲線圖。在圖4中，一標示為（a )介於SOC 值與電池電壓之間的關係意指執行一個重新充電及放電過 程週期之情形。在此情況下，充電記憶效應係在S〇C值介 於約50%至約60%時發生。另一標示為（b)介於SOC值與電 池電壓之間的關係意指執行兩個重新充電及放電過程週期 之情形。在此情況下，充電記憶效應係在SOC值介於60% 至約80%時發生。又一標示為⑷介於SOC值與電池電壓之 間的關係意指執行五個重新充電及放電過程週期之情形。 在此情況下，充電記憶效應係在SOC值介於約80%至約 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 548863
100%時發生。 再一標示為⑷介於soc值與電池電屋之間的關係意指執 行六個重新充電及放電過鞋週期的情升[另一標示為⑷ 介於SOC值與電池電壓之間的關係意指執行七個和八個重 新充電及放電過程週期的情形。在這些情況下，充電記憶 效應較難發生。因此，必需執行重新充電及放電過程六次 以上以便防止充電記憶效應。 一類似問題係發生於安裝在複合式電動車（HEV)上的電 池。HEV所用的電池（此後稱為”HEV電池”）不僅儲存用於 驅動電動馬達之電力，同時亦儲存再生週期所產生的電 力。HEV電池係藉由安裝於其上的熱引擎予以充電。因 此，為了避免HEV電池快速充電，如同前述AGV之電池 (此後稱為” AGV電池”）的實例，HEV電池係充電及放電以 具有一指定之SOC值。所以，亦有HEV電池之充電效率會 在發生充電記憶效應時減低的可能性。 發明概述 根據一本發明之觀點，提供一種控制電池充電及放電之 方法，其中電池之充電及放電係使得電池之SOC (充電狀 態）值在落於一預定範圍内時係增加/減少至一預定範圍； 且充電及放電過程相繼進行時之SOC值之範圍會變化以及 充電和放電過程之後之SOC值之範圍亦相繼改變。 在一本發明之具體實施例中，S〇C值在執行充電及放電 過程中及充電及放電過程之後的範圍皆於10%與100%之間 變化。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 548863 A7 ____R7 五、發明説明（5 ) 在另一本發明之具體實施例中，s〇c值在執行充電及放 電過程中及充電及放電過程之後的範圍皆在起自一低s〇c 值至一南SOC值之階段内變化。 在又一本發明之具體實施例中，充電及放電之執行使得 SOC值係在充電及放電過程之後S〇c值之範圍介於40%至 100%之間時的階段内減少。 因此，在此所述之發明使得提供一種用於控制電池充電 及放電之方法，具有能夠使電池之充電效率免於因放電記 憶效應而降低之優點變得可能。 本行人士將在配合附加圖示閱讀並理解底下之詳細說明 之後顯知本發明之這些及其它優點。 圖示簡述 圖1表示一無人搬運車（AGV)及一用於該AGV之充電器 的方塊圖，該AGV使用一種根據本發明用於控制電池充電 及放電的方法。 圖2係一表示圖1所示之AGV電池之充電特性變化的曲 線圖，該AGV電池係在充電器的控制下充電以便執行一重 新充電及放電過程。 圖3係一表示圖1所示之AGV電池之充電特性變化的曲 線圖，該AGV電池係在充電器的控制下充電以便在有別於 圖2中重新充電及放電過程之條件下執行一重新充電及放 電過程。 圖4係一表示一電池在傳統充電器之控制下使用一種用 於控制電池充電及放電之傳統方法充電及放電之充電特性 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 548863 A7
變化的曲線圖。 詳細發明說明 此後’將配合附加之圖式說明本發明之實施例。 圖1表示一無人搬運車（AGV)10及一用於該AGV 10之充 電态的方塊圖，該AGV 10使用一種根據本發明用於控制 電池充電及放電的方法。 AGV 10係期望沿著一指定路徑在工廠、倉庫之屬内行 進。AGV 10包含一電池n作為電源和一電池控制部分12 用以控制，例如，關於電池丨i方面的放電過程。電池丨^係 含有複數個串聯在一起之單電池的電池組。用於電池工工 内之單電池係一種密封之鎳金屬氫化物電池。電池控制部 分12儲存關於電池11方面的輸入資訊，如s〇c值、溫度之 屬。 AGV 10在一工廠内由一作為起點之貨站沿著一條預定 路徑行進並返回該貨站以便藉由該貨站所提供之充電器2〇 將電池11充電。 電池11係連接至一充電線3 1，該充電線3〗係在電池工丄 藉由充電器20進行充電時連接至貨站所提供之充電器2〇。 電池控制部分12係連接至一充電控制信號線32，其中資訊 係在電池11藉由充電器20進行充電時經由充電控制信號線 32自充電器20輸入或輸出至充電器2〇。 充電益20包含一用於將電池η充電之充電部分21及一 用於控制該充電部分21之充電控制部分22。充電部分21 係連接至一整流濾波器23並經由該整流濾波器23接收自一 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公董) 548863 五、發明説明（7 輸入端24輸入之三相交流電（AC 200 V) 充電部分21包含一充電端25，該充電端25在將電池u 充電時係連接至充電線3丨。充電控制部分22包含一控制信 號端26，該控制信號端26係在將電池^充電時連接至充 電控制信號線32。充電端25係連接至一伏特計27，用以 在使電池11充電時彳貞測施加至電池丨丨之電壓。一安培計 28係連接於充電部分21與充電端25之間，用以在使電池 11充電時偵測施加至電池11之電流。 安裝於AGV 10上依上述方式架構之電池i i係依底下方式 藉由貨站所提供之充電器20予以充電。 安裝於AGV 10上之電池11通常在每次沿著指定路徑行進 期間消耗（放電）實質固定之電力。在每次AGV 10沿著指定 路徑行進之後，AGV 10之充電線31和充電控制信號線32係 为別連接至充電器20之充電端25和控制信號端26。充電 部分21接收三相交流電，其中該三相交流電係自輸入端24 輸入並藉由整流濾波器23予以整流。充電部分21係由充電 控制部分22所控制以便將接收到的電流經由充電線3 1施加 至電池11。充電控制部分22基於一經由充電控制信號線 32藉由電池控制部分12所輸出之信號控制充電部分21。 在此實例中，電池1 1係期望接收一比每次沿著指定路 徑行進時所流失之電量還大之電量，從而以一實質固定量 提升電池11之SOC值。例如，在每次AGV 10行進自電池i i 流失的電量相當於SOC之10%時，則施加至電池〗丨之電量 相當於S0C之20%。因此，電池u之s〇c值對於每次 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 548863 A7 ________B7 五、發明説明（8 ) AGV 10之行進係經由充電器2 0所執行之充電過程提升 10%。 如上所述，電池11之SOC值於每次藉由充電器20使電池 11充電時白會上升。當電池11之SOC值上升至約40%與約 100%之間時’充電控制部分22控制充電部分21使得施加 至電池11之電量為零，從而停止充電器2〇在電池Η上所 執行的充電運作。因此，電池11在AGV 10行進時放電且電 池11之SOC值係循序降低直到s〇C值變為10%。 或者，施加至電池11之電量係設定為相當於s〇c之1〇% 且自電池11放出之電量係設定為相當於SOC之20%。因 此，每一次藉由充電部分21將電池11充電時，電池η之 SOC值係強制降低10%，例如，致使s〇C值變為10%。 如上所述，當SOC值減少至1〇〇/0時，藉由充電器20施加 至電池11之電量相當於SOC之20%，從而使電池11充電。 既然SOC值之範圍在執行充電及放電過轾時循序變化且 SOC值之範圍在充電及放電過程之後亦循序變化，有可能 避免在一特定SOC範圍内重複充電及放電過程所導致的充 電記憶效應。所以，得以抑制因充電記憶效應所導致之電 池電壓上升，且因而實質不可能失誤地偵測到電池丨丨強制 放電時之最高充電電壓。 另外，當依此方式重複充電及放電過程時，若SOC值處 於10%至100%之範圍内，藉由執行一次或兩次重新充電及 放電過程，可達到顯著的重新效應，從而確保避免充電記 憶效應。 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 548863 A7 ______B7 _ 五、發明説明（9 ) 圖2係一使用根據本發明充電及放電之方法表示s〇c：值 與電池電壓之間關於AGV 10方面之關係的曲線圖。在圖2 中，一標示為（a)介於S0C值與電池電壓之間的關係意指一 κ例，在该實例中，一個臺新充電及放電過程之週期係藉 由控制電池11之充電及放電予以執行以便實質改變介於约 10%與約1〇〇〇/0之間之範圍内的s〇c值，在s〇c值上升至大 約90%時自電AU釋放出剩餘的電力，並使電池u完全充 電。另一標示為（b)介於SOC值與電池電壓之間的關係意指 一實例，在該實例中，兩個重新充電及放電過程之週期係 依與（a)之實例相同之方式予以執行。一或兩個重新充電 及放電過程之週期提供顯著的重新效應以避免發生充電記 憶效應。 圖3係一使用根據本發明充電及放電之方法表示s〇c值 與電池電壓之間關於AGV 1〇方面之關係的曲線圖。在圖3 中’一標示為⑷介於SOC值與電池電壓之間的關係意指一 只例，在該實例中，一個重新充電及放電過程之週期係藉 由控制電池11之充電及放電以使S〇c值在约10%與約ι00〇/〇 的範圍内循序變化，在SQC值減少至大约ι〇〇/〇時自電池工工 強制釋出剩餘電力，並使電池Η完全充電。另一標示為 (b)介於SOC值與電池電壓之間的關係意指一實例，在該實 例中’兩個重新充電及放電過程之週期係依與⑷之實例 相同之方式予以執行。一或兩個重新充電及放電過程之週 期提供顯著的重新效應以避免發生充電記憶效應。 根據本發明，執行充電及放電時之SOC值之範圍和施加 -12- 本紙張"^财_家標準(CNS) A]規格(21GX297公釐) --
裝 玎
線 548863 A7 --------B7 —_ 五、發明説明（10 ) "一~-~-— 至電池11之電力之SOC值之範圍最好皆介於1〇%與1〇〇%之 間，若是20%與80%之間則更好。 須注意本發明未局限於上述架構，在上述架構中，電池 11係過度充電直到電池u之s〇c值上升至預定之最高位 準’且所執行之充電及放電過程係將零電力施加至電池工^ 或過度地自電池1 1釋出高於所施加至電池n之電力直到 SOC值減低到預定之最低位準。例如，可架構本發明使得 電池11係過度充電直到一指定參數，如一最高電壓、一最 高溫度、每單位時間所上升的溫度（dT/叫、或電池i i之電 流電壓（Ι-V)等達到其最高位準，接著為過度放電使得自 電池11釋出的電力大於施加至電池1 i之電力直到指定之參 數達到其最低位準。在任一實例中，關於電池i i方面所需 的資訊係經由電池控制部分12適當地送至充電控制部分 22 ° 雖然上述已就安裝於AGV 10上之電池11之充電及放電控 制方面說明本發明之實施例，本發明未局限於此一實例且 係可應用於一 HEV電池，其中HEV電池係在一小於100%之 指定之SOC範圍内充電及放電。 如上所述，在根據本發明用於控制電池充電及放電的方 法中，執行充電及放電過程時之SOC值之範圍和充電及放 電過程之後之SOC值之範圍兩者皆循序變化，且因而實質 不可能在電池内產生充電記憶效應。因此，有可能避免失 誤地偵測到充電記憶效應發生時因充電電壓上升所導致的 最高充電電壓。另外，有可能減少避免充電記憶效應所需 -13 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 裝 訂 線 548863 A7 R7 五、發明説明（ ） 之重新充電及放電過程之週期數。 本行人士將顯知並可立即作各種其它修改而不脫離本發 明之範缚和精神。因此，意欲附加於此之申請專利範圍之 範疇係局限於此處所提之說明，該等申請專利範圍並非僅 大體推斷。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 548863 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種用於控制電池充電及放電的方法，其中： 一電池係經過充電及放電使得該電池之SOC (充電狀 態）值在電池之SOC值處於一預定範圍内時係增加/減 少至一預定之範圍；以及 一執行充電及放電過程時之SOC值之範圍係循序變 化，且一充電及放電過程之後之SOC值之範圍亦循序 變化。 2. 如申請專利範圍第1項用於控制電池充電及放電的方 法，其中該執行充電及放電過程時之SOC值之範圍和 該充電及放電過程之後之SOC值之範圍兩者皆在10% 與100%之間變化。 3. 如申請專利範圍第1項用於控制電池充電及放電的方 法，其中該執行充電及放電過程時之SOC值之範圍和 該充電及放電過程之後之SOC值之範圍兩者皆在自一 低SOC值至一高SOC值之階段内變化。 4. 如申請專利範圍第1項用於控制電池充電及放電的方 法，其中充電及放電之執行使得SOC值係在充電及放 電過程介於40%與100%之間之後於階段内減少。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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